CN110095137B - 一种基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统，包含太阳模拟器，辐照光束整形装置，光路转折装置，工装台面，天窗装置和测试计算机装置，可实现星敏感器处于星空背景条件下，杂散光按给定角度射入星敏感器遮光罩内，进行杂散光测试的测试任务，为星敏感器产品的出厂测试提供技术手段，完成星敏感器性能的定量测试和量化评估。

Description

一种基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统

技术领域

本发明涉及天文导航领域，尤其涉及一种基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统。

背景技术

星敏感器工作在系统视场外有杂散光(如太阳光、月光、地气光)的恶劣环境中，主要针对空间弱小运动目标成像，背景杂光影响严重。杂散光对系统的影响，轻者，使得目标的信噪比降低，对比度下降，从而影响整个系统的探测或识别能力；重者，被探测的目标信号完全湮没在杂散光背景中，系统无法提取目标；或因像面杂光分布不均匀，在系统探测器上形成虚假信号，致使系统探测到伪目标甚至导致整个系统失效，严重影响星敏感器的姿态测量精度。

为了检测真实恒星目标与背景环境下的星敏感器性能，使用太阳模拟器进行杂散光测试是一种行之有效的方法。现有杂散光测试装置基本在光学暗室中展开，测试方法为：太阳模拟器作为光源输出准太阳光，光束通过整形系统进入星敏感器遮光罩入瞳处，通过转台旋转星敏感器方位角，使得杂散光按给定角度射入星敏感器遮光罩内，通过拍图结果模拟星敏感器输出姿态。暗室测试杂散光具有不受时间地点限制，设备固定的优点，但测试结论只是根据数学模型计算间接模拟星敏感器“输出姿态”，而非产品在杂光干扰的条件下直接验证“输出姿态”，可能造成测试结果不准确。

发明内容

本发明的目的是：提供一种杂散光测试系统，可以用于真实星空背景下各型号星敏感器的杂散光测试，直接验证星敏感器抗杂光性能。

为达到上述目的，设计了一种基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统，该系统包含：

太阳模拟器：输出准太阳光，作为杂散光来源。

辐照光束整形装置：接收太阳模拟器射出的光束，准直输出到星敏感器入口，提供空间太阳光谱与强度分布，实现星敏感器性能测试与评估时的光能输入。

光路转折装置：调整辐照光束整形装置出射光束的方向，在光路中设置多组平面反射镜，通过平面反射镜的旋转和/或平移，调整背景杂散光的光路。

工装台面：承载所述系统，通过控制软件驱动高精度电控台进行不同俯仰、偏航、滚转运动，调整所述系统的姿态，测试不同杂散光光照角度下整个系统的性能。

天窗装置：提供星敏感器视场，指向真实星空。

测试计算机装置。

辐照光束整形装置放置于太阳模拟器光束出口处，固定在水平平板的台面上，通过与太阳模拟器进行参数匹配，将太阳模拟器的输出光束整形为与遮光罩入口尺度相匹配的辐照光束。辐照光束整形装置与太阳模拟器连接端具有与太阳模拟器出光口匹配的孔径尺寸，在所述辐照光束整形装置出口与入口之间加入两个相同的挡光板，设计插拔结构。调节辐照光束整形装置的高度，令所述辐照光束整形装置中心的光路与太阳模拟器中心的光路对准。

光路转折装置调整太阳模拟器射出光束的方向，在光路中设置两组平面反射镜，两组平面反射镜均位于固定支架上，固定支架可根据需要移动。其中一组平面反射镜固定于固定支架下方，镜面中心与所述辐照光束整形装置射出的光束中心位于同一水平位置，另一组平面反射镜由吊式平移导轨固定于固定支架上方，两组平面反射镜均可进行旋转和/或平移运动，其相对地面垂直高度均保持不变。

天窗装置基于星敏感器结构尺寸、星敏感器视场大小、星敏感器视轴指向及星敏感器遮光罩入光口所在平面的距地高度，在平面屋顶设置一个天窗。天窗装置的窗框内包含电机，能够自动开启及自动闭合，自动开启及自动闭合时间均不超过5s；所述天窗装置的窗框外侧安装有雨水感应传感器，能够即时感应降雨并自动闭合，并设计有水槽，便于排水。

测试计算机装置安装有安装有光路转折装置控制单元、星敏感器姿态调整单元、星敏感器测量数据获取单元、星敏感器测量数据处理单元、数据库管理单元。光路转折装置控制单元，包括平面反射镜旋转运动控制模块和平面反射镜平移运动控制模块，通过两组平面反射镜的组合控制实现光路的转折调整。星敏感器姿态调整单元，包括星敏感器俯仰姿态调整模块、偏航姿态调整模块以及滚转姿态调整模块，控制所述系统的姿态。星敏感器测量数据获取单元，包括测试参数设定模块和测试数据获取模块，实时采集不同背景杂散光光照条件、不同天区恒星目标图像的数据。星敏感器测量数据处理单元，包括图像预处理模块、图像特征统计模块以及图像质量评估模块，处理分析获取的数据。数据库管理单元，包括测量数据库管理模块和目标提取算法数据库管理模块，分别用来存储与管理测试数据与评估分析结果。

本发明采用的方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1)现有方法无法直接验证杂散光背景下星敏感器“输出姿态”的性能，只能通过数据模型计算得出模拟值。而本方法可以在真实星空背景下进行杂散光测试，直接验证星敏感器的抗杂光能力，结果更加准确。

2)现有方法测试控制软件与分析数据软件分离，测试时间长，该装置将控制系统与数据采集分析软件集成，由计算机自动控制，操作更加简便，节省了测量时间。

3)现有方法数据管理不集中，存储分散。而本发明数据管理集中，存储集中，方便查阅。

附图说明

下面将结合附图和系统实物对本发明作进一步详细的说明。

图1为测试系统总方案框图。

图2为测试系统的数据流框图。

图3为测试系统的软件拓扑结构图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

该系统测试原理为：太阳模拟器的出射光经辐照光束整形装置整形为平行光后入射到第一组平面反射镜上，光束经第一组平面反射镜折转后入射到第二组平面反射镜上，经第二组平面反射镜的折转后光束以不同的天顶角入射到星敏感器入口处。开启星敏感器进行测量数据的采集。整机测试过程中，在光路转折装置软件的控制下，驱动第一组平面反射镜进行旋转运动，第二组平面反射镜进行旋转与平移运动，以实现背景光照方向的调整；在星敏感器姿态调整软件的控制下，通过工作台面驱动星敏感器进行俯仰、偏航、滚转运动，以实现观星时的光轴指向调整；在星敏感器测量数据获取软件的控制下，实现不同天区观星数据的采集并将采集的数据进行入库管理。数据采集完成后，调用星敏感器测量数据处理软件进行测试结果的处理、分析与评估。

如图1所示，给出了基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统的总方案框图。测试系统由太阳模拟器1，辐照光束整形装置2，光路转折装置3，工装台面4，天窗装置5和测试计算机装置6组成。各组成部分的实施方式如下。

太阳模拟器：作为光源输出准太阳光，作为杂散光的光源。根据星敏感器测试杂散光的需要，太阳模拟器有辐照度、光束直径、发散角、工作距离的要求。

辐照光束整形装置：放置于太阳模拟器光束出口处，固定在水平平板的台面上，通过与太阳模拟器进行参数匹配，将太阳模拟器的输出光束整形为与遮光罩入口尺度相匹配的辐照光束，并提高光束的准直性。该装置与太阳模拟器连接端具有与太阳模拟器出光口匹配的孔径尺寸，另外在整形装置出口与入口之间加入两个相同挡光板，设计相应的插拔结构，以提高光束的准直性。该装置具备高度调节功能，用于实现其中心与太阳模拟器中心的光路对准。

光路转折装置：用于实现对太阳模拟器出射光束方向的调整，在光路中设置两组平面反射镜，两组反射镜均位于固定支架上，固定支架重量轻，可根据需要移动。平面反射镜a固定于支架下方，镜面中心与辐照光束整形装置射出光束中心位于同一水平位置，可进行旋转运动，平面反射镜b由吊式平移导轨固定于支架上方，可进行旋转与平移运动。平面反射镜a及平面反射镜b的相对地面垂直高度均保持不变，通过平面反射镜的旋转、平移的组合设计，实现不同光照入射天顶角下的背景杂光辐照测量，以满足星敏感器性能测试时背景杂光光路调整的需要。

工装台面：台面上有工装，可将星敏感器整机固定于工装上。配备高精度三轴转台，通过控制软件驱动，可进行俯仰、偏航、滚转三轴独立运动，实现星敏感器整机的姿态调整。

天窗装置：该装置用于实现星敏感器整机外场性能测试时星敏感器视场指向真实星空。基于星敏感器结构尺寸、星敏感器视场大小、星敏感器视轴指向及星敏感器遮光罩入光口所在平面的距地高度，在平面屋顶设计了具有一定结构形式及大小的天窗，保证了星空背景透过天窗并充满星敏感器视场。天窗装置窗框内包含隐藏电机，具有自动开启及自动闭合功能，同时自动开启及自动闭合时间均不超过5s；天窗装置窗框外侧安装有雨水感应传感器，能够即时感应降雨并自动闭合；天窗装置窗框外边沿设计有独特水槽，便于排水。

测试计算机装置：所述测试计算机装置安装有安装有光路转折装置控制单元、星敏感器姿态调整单元、星敏感器测量数据获取单元、星敏感器测量数据处理单元、数据库管理单元。

根据星敏感器测试时光路调整的需要，配置光路转折装置控制单元，包括平面反射镜旋转运动控制模块和平面反射镜平移运动控制模块，通过两组平面反射镜的组合控制实现光路的转折调整。

根据星敏感器工作时光轴指向控制的需要，配置星敏感器姿态调整单元，包括星敏感器俯仰姿态调整模块、偏航姿态调整模块以及滚转姿态调整模块，实现姿态的组合控制。

基于星敏感器工作模式，配置星敏感器测量数据获取单元，包括测试参数设定模块和测试数据获取模块，实现不同背景杂光光照条件、不同天区恒星目标图像的实时采集。

基于星敏感器测量获取的外场观星数据，配置星敏感器测量数据处理单元，包括图像预处理模块、图像特征统计模块以及图像质量评估模块，用于完成星图数据的处理分析。

根据测试与评估数据的存储与读取要求，配置数据库管理单元，包括测量数据库管理模块和目标提取算法数据库管理模块，分别用来存储与管理测试数据与评估分析结果。

图2示出一种测试系统的数据流程框图，其包括星敏感器性能定量测试、数据库以及星敏感器性能量化评估。其中星敏感器性能定量测试包含照明系统、光束准直系统、光束转折系统、星敏感器姿态调整系统、背景杂光抑制系统、辐射照度标定系统。数据库包含星敏感器整机测试数据库、目标提取算法模拟提取库。星敏感器性能量化评估通过对星敏感器测量数据处理、星图目标提取算法性能评估，获取最终星敏感器性能量化评估结果。

图3示出测试系统的软件拓扑结构图。如图3所示，星敏感器外场集成测试与评估软件包含数据库管理软件单元，光路转折控制软件单元，星敏感器姿态调整软件单元，杂光辐射照度标度软件单元，测量数据获取软件单元，测量数据处理软件单元，星图目标提取算法性能评估单元，图像质量对星点提取性能影响分析单元。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统，其特征在于，包括：

太阳模拟器：输出准太阳光，作为杂散光来源；

辐照光束整形装置：接收太阳模拟器射出的光束，准直输出到星敏感器入口，提供空间太阳光谱与强度分布，实现星敏感器性能测试与评估时的光能输入；

光路转折装置：调整辐照光束整形装置射出光束的方向，在光路中设置多组平面反射镜，通过平面反射镜的旋转和/或平移，调整背景杂散光的光路；

工装台面：承载所述系统，通过控制软件驱动高精度电控台进行不同俯仰、偏航、滚转运动，调整所述系统的姿态，测试不同杂散光光照角度下整个系统的性能；

天窗装置：提供星敏感器视场，指向真实星空；

测试计算机装置；

所述辐照光束整形装置放置于太阳模拟器光束出口处，固定在水平平板的台面上，通过与太阳模拟器进行参数匹配，将太阳模拟器的输出光束整形为与遮光罩入口尺度相匹配的辐照光束；

所述辐照光束整形装置与太阳模拟器连接端具有与太阳模拟器出光口匹配的孔径尺寸，在所述辐照光束整形装置出口与入口之间加入两个相同的挡光板，设计插拔结构；

调节辐照光束整形装置的高度，令所述辐照光束整形装置中心的光路与太阳模拟器中心的光路对准；

所述光路转折装置调整太阳模拟器射出光束的方向，在光路中设置两组平面反射镜，两组平面反射镜均位于固定支架上，固定支架可根据需要移动；

其中一组平面反射镜固定于固定支架下方，镜面中心与所述辐照光束整形装置射出的光束中心位于同一水平位置，另一组平面反射镜由吊式平移导轨固定于固定支架上方，两组平面反射镜均可进行旋转和/或平移运动，其相对地面垂直高度均保持不变；

所述测试计算机装置安装有光路转折装置控制单元、星敏感器姿态调整单元、星敏感器测量数据获取单元、星敏感器测量数据处理单元和数据库管理单元；

所述光路转折装置控制单元，包括平面反射镜旋转运动控制模块和平面反射镜平移运动控制模块，通过对两组平面反射镜的组合控制实现光路的转折调整；

所述星敏感器姿态调整单元，包括星敏感器俯仰姿态调整模块、偏航姿态调整模块以及滚转姿态调整模块，控制所述系统的姿态；

所述星敏感器测量数据获取单元，包括测试参数设定模块和测试数据获取模块，实时采集不同背景杂散光光照条件、不同天区恒星目标图像的数据；

所述星敏感器测量数据处理单元，包括图像预处理模块、图像特征统计模块以及图像质量评估模块，处理分析所述星敏感器测量数据获取单元获取的数据；

所述数据库管理单元，包括测量数据库管理模块和目标提取算法数据库管理模块，分别用来存储与管理测试数据与评估分析结果。

2.根据权利要求1所述的基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统，其特征在于，所述天窗装置基于星敏感器结构尺寸、星敏感器视场大小、星敏感器视轴指向及星敏感器遮光罩入光口所在平面的距地高度，在平面屋顶设置一个天窗。

3.根据权利要求2所述的基于真实星空的星敏感器杂散光测试系统，其特征在于，所述天窗装置的窗框内包含电机，能够自动开启及自动闭合，自动开启及自动闭合时间均不超过5s；所述天窗装置的窗框外侧安装有雨水感应传感器，能够即时感应降雨并自动闭合，并设计有水槽，便于排水。

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